中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）21-0154-04

Abstract：AsacorecourseintheRoadandBridge Engineeringspecialty，thecourseStructural Vibrationand Stability featuresstrongtheoreticalcomplexityandintricateknowledgearchitecture，makingtradtionalteachingparadigmsinadequatefor moderntalentcultivationrequirements.Toaddressprevalentpedagogicalchalengesincludingabruptknowledgeprogression， monotonousinstructionalapproaches，andinsuffcientpracticalempowerment，thisstudyestablishesathree-dimensional colaborativeeducationalframeworkintegrating\"knowledgeconstruction-competencycultivation-valueguidance\".Byiplementing gradient-smoothinginstructionalstrategies，inovatingcontentorganizationpaters，employingafour-stepclosed-loopguided teachingmethodology，andconstructingmultidimensionaleducationalresources，substantialimprovementshavebeenachievedin stuents‘knowledgemasteryandinnovativecapabilities.Thisreformmodelofersanexemplaryparadigmforenhancingadvanced engineering curricula.

Keywords：StructuralVibrationandStability；teachingreform；closed-looppedagogy；engineeringpractice；innovation capability

交通基礎(chǔ)設(shè)施作為經(jīng)濟社會發(fā)展的主動脈和戰(zhàn)略性支撐，其現(xiàn)代化水平直接關(guān)系國家重大戰(zhàn)略實施效能I。近年來，我國橋梁建設(shè)呈現(xiàn)出跨越式發(fā)展態(tài)勢，行業(yè)對兼具理論創(chuàng)新能力和工程實踐智慧的復(fù)合型專業(yè)人才需求呈現(xiàn)指數(shù)級增長。特別值得關(guān)注的是，以港珠澳大橋（最長跨海大橋）常泰長江大橋（最大跨度公鐵兩用斜拉橋）為代表的超級工程集群，正在推動橋梁工程學(xué)科向“超長跨徑、輕型構(gòu)造、柔性體系\"等方向突破性發(fā)展[3-4。這類長大橋梁由于具有非線性動力響應(yīng)顯著、結(jié)構(gòu)剛度薄弱敏感等技術(shù)特征，其動力學(xué)行為分析及失穩(wěn)機理研究已成為制約工程安全的關(guān)鍵瓶頸問題5。在此新工科背景下，面向國際橋梁工程科技前沿和國家重大工程需求，為橋梁工程專業(yè)本科生開設(shè)相關(guān)課程，加深學(xué)生對于橋梁結(jié)構(gòu)動力學(xué)和穩(wěn)定理論問題的認(rèn)識，對于實現(xiàn)橋梁工程高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展尤為重要。

結(jié)構(gòu)振動分析與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算都屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)或結(jié)構(gòu)分析的范疇，在以往的教學(xué)中一般都放在結(jié)構(gòu)力學(xué)（下）課程中講授。近年來，隨著結(jié)構(gòu)理論研究深入和工程技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合國家重大工程建設(shè)需要，結(jié)構(gòu)振動和穩(wěn)定的重要性大大提升。因此，長安大學(xué)依托道路橋梁與渡河工程（橋梁方向）國家級一流專業(yè)，從自1998年起就為本科生開設(shè)結(jié)構(gòu)振動與穩(wěn)定課程，該課程作為橋梁工程專業(yè)的高階專業(yè)課程，涵蓋結(jié)構(gòu)動力學(xué)與穩(wěn)定性分析的核心內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的關(guān)鍵課程環(huán)節(jié)。不同于研究生結(jié)構(gòu)動力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論等課程著重理論推導(dǎo)和復(fù)雜計算，本科生的結(jié)構(gòu)振動與穩(wěn)定課程重在定性說明原理，闡述工程常見動力學(xué)與穩(wěn)定問題背后的力學(xué)機制。

在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，該課程存在階躍難度高、教學(xué)模式單一、理論聯(lián)系實踐不足等方面結(jié)構(gòu)性矛盾。針對以上問題，課程團隊逐步探索出一套適應(yīng)新時代要求的教學(xué)改革路徑。通過重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容體系，采用微課形式引入“課程難度平順化”的教學(xué)策略，創(chuàng)新了教學(xué)內(nèi)容組織模式，實施“案例切入一抽象問題一理論推導(dǎo)一實踐驗證\"的四步驟閉環(huán)引導(dǎo)式教學(xué)方法，建立了全鏈條立體化教學(xué)資源，優(yōu)化了課程的評價體系，顯著提升了學(xué)生的知識掌握度與應(yīng)用創(chuàng)新能力，為工科專業(yè)高階課程的教學(xué)改革提供了可借鑒的范式。

課程現(xiàn)狀與問題分析

（1） 課程定位與目標(biāo)

結(jié)構(gòu)振動與穩(wěn)定定位為道路橋梁與渡河工程本科專業(yè)“構(gòu)思一設(shè)計—實現(xiàn)一運作\"（CDIO）培養(yǎng)體系中的高階核心課程，面向已完成材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的三年級本科生開設(shè)。本課程旨在通過系統(tǒng)性教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，并為后續(xù)專業(yè)課程橋梁工程、橋梁抗抗風(fēng)震等專業(yè)課奠定堅實的理論基礎(chǔ)。在當(dāng)前橋梁工程向“長、大、輕、柔”方向發(fā)展的背景下，結(jié)構(gòu)振動與穩(wěn)定性問題已成為橋梁設(shè)計、施工與運維中的核心挑戰(zhàn)。因此，課程定位不僅在于傳授理論知識，更需通過理論與實踐深度融合，培養(yǎng)具有國際視野和創(chuàng)新能力的復(fù)合型工程技術(shù)人才。

（二） 教學(xué)痛點與挑戰(zhàn)

在本課程長期的教學(xué)實踐中，總結(jié)得到課程教學(xué)所面臨的問題有如下幾個方面：第一是課程知識密度、內(nèi)容設(shè)置與學(xué)生認(rèn)知規(guī)律匹配度不足，課程內(nèi)容從前置的材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等基礎(chǔ)課程直接躍升至結(jié)構(gòu)動力學(xué)和穩(wěn)定分析理論體系，學(xué)生需在短時間內(nèi)掌握許多抽象概念，導(dǎo)致在課程學(xué)習(xí)初期學(xué)生存在一定的畏難情緒。第二是教學(xué)方法和教學(xué)手段相對單一，傳統(tǒng)\"教師講一學(xué)生聽\"的灌輸式教學(xué)占據(jù)主導(dǎo)，課堂互動僅停留于簡單問答層面。教學(xué)資源以紙質(zhì)教材為主體，單一的資源供給模式無法滿足差異化學(xué)習(xí)需求。第三就是教學(xué)中引入重大工程實證案例較少，典型案例僅作為知識點補充而非貫穿主線，導(dǎo)致課程中許多抽象化概念難以具象化表征。

二 教學(xué)改革路徑與實施

（1） 重構(gòu)課程目標(biāo)

基于OBE教育理念對傳統(tǒng)課程目標(biāo)進行系統(tǒng)性升級，突破原有單一維度知識傳授的局限，構(gòu)建“知識構(gòu)建一能力培養(yǎng)一價值引領(lǐng)”三維協(xié)同育人目標(biāo)體系。在知識建構(gòu)維度，聚焦結(jié)構(gòu)動力學(xué)與穩(wěn)定理論的核心知識圖譜，要求學(xué)生深入掌握單自由度/多自由度系統(tǒng)振動微分方程建立與求解方法、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界荷載計算原理等專業(yè)理論，系統(tǒng)理解振動特性與穩(wěn)定極限狀態(tài)的物理本質(zhì)及其數(shù)學(xué)表征模型。能力培養(yǎng)維度著力于工程問題導(dǎo)向的實踐能力塑造，通過典型案例分析與復(fù)雜工程問題求解，著重訓(xùn)練學(xué)生從工程現(xiàn)象中提煉力學(xué)模型的抽象思維能力，培養(yǎng)其開展結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)數(shù)值模擬、穩(wěn)定性評估與參數(shù)敏感性分析的綜合實踐技能。價值引領(lǐng)維度將課程思政元素有機融入專業(yè)教學(xué)，依托“中國橋梁\"超級工程集群，引導(dǎo)學(xué)生深人理解重大基礎(chǔ)設(shè)施自主創(chuàng)新的戰(zhàn)略意義，著力培育兼具科學(xué)精神、工匠品格與社會責(zé)任感的一流本科人才。

（二） 教學(xué)內(nèi)容體系更新

在結(jié)構(gòu)振動理論教學(xué)內(nèi)容上，緊緊圍繞頻率、振型和阻尼三個結(jié)構(gòu)自振特性概念，從單自由度一多自由度一無限自由度多個層面闡釋自振特性的工程物理意義；在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論教學(xué)內(nèi)容上，以失穩(wěn)臨界荷載和失穩(wěn)形態(tài)為核心，深人討論穩(wěn)定問題的分類、求解方法和工程應(yīng)用。本課程的核心知識模塊見表1。

表1課程知識結(jié)構(gòu)

課程團隊突破傳統(tǒng)線性教學(xué)模式，創(chuàng)新構(gòu)建樹狀教學(xué)內(nèi)容組織模式（圖1），形成“主干層一邏輯層一案例層”三級架構(gòu)。課程團隊在教學(xué)過程中注重不同章節(jié)內(nèi)容的對比和聯(lián)系，讓學(xué)生理解各自章節(jié)內(nèi)容的動態(tài)演進關(guān)系和聯(lián)系；針對結(jié)構(gòu)動力學(xué)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論兩塊教學(xué)內(nèi)容，課程團隊從數(shù)理角度歸納了兩類問題的共同點一都是二階常微分方程的問題求解，讓學(xué)生從數(shù)學(xué)角度理解兩類不同工程問題在理論上的共同之處，體會到自然科學(xué)和工程技術(shù)之間的共通共融。

（三） 創(chuàng)新教學(xué)方法

1“四步驟閉環(huán)引導(dǎo)式\"教學(xué)法

課程團隊以工程問題為導(dǎo)向，構(gòu)建“案例切入一抽象建模一理論推導(dǎo)一實踐驗證”四步驟閉環(huán)教學(xué)體系。以多自由度體系強迫振動教學(xué)為例，在“案例切入\"階段，通過虎門大橋渦振事件視頻分析與CFD仿真動態(tài)展示，引導(dǎo)學(xué)生從工程現(xiàn)象中理解強迫振動方程的物理意義；進入“抽象建模\"環(huán)節(jié)后，指導(dǎo)學(xué)生將實際振動問題轉(zhuǎn)化為多自由度系統(tǒng)微分方程的求解，強化數(shù)學(xué)工具與工程實踐的銜接；在“理論推導(dǎo)\"階段，解釋外荷載頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率關(guān)系對于結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的影響規(guī)律，讓學(xué)生通過理論計算認(rèn)識到阻尼比對于強迫振動響應(yīng)幅值的影響；最后通過“實踐驗證”環(huán)節(jié)，詳細向?qū)W生介紹虎門大橋的抑振措施，深刻理解改變結(jié)構(gòu)固有頻率及阻尼頻率對于降低結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的機理。最終形成教學(xué)方法上的邏輯閉環(huán)，實現(xiàn)知識內(nèi)化與能力提升的螺旋式上升。

對于課程中的一些核心概念，課程團隊通過自研教具、案例教學(xué)來加深學(xué)生認(rèn)知。例如對于單自由度體系的自振特性求解，教學(xué)團隊自主研發(fā)了多參數(shù)可調(diào)式單自由度振動演示裝置，通過教具學(xué)生可以清楚地觀察到改變體系剛度、質(zhì)量和約束對于自振頻率的影響規(guī)律，有效破解傳統(tǒng)教學(xué)中抽象概念具象化不足的難題。同時在課堂練習(xí)時將教具的力學(xué)參數(shù)給出，讓學(xué)生以實際問題為對象進行自振頻率的計算練習(xí)，然后要求學(xué)生將計算值和觀測值進行計算，分析誤差可能的來源，啟發(fā)學(xué)生建立工程模型簡化與實際情況的辯證認(rèn)知。以實際問題為背景開展課堂練習(xí)，除了讓學(xué)生更好地掌握所學(xué)知識理論，也培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考的能力、精益求精的工匠精神、實事求是的科學(xué)精神。

圖1樹狀教學(xué)內(nèi)容組織模式

2“課程難度平順化\"策略

針對知識跨度陡增問題，課程團隊系統(tǒng)性構(gòu)建“前置知識強化一核心內(nèi)容分層一復(fù)雜案例重構(gòu)”三維度梯度化教學(xué)策略，實現(xiàn)了對學(xué)生知識遷移能力培養(yǎng)的強化。在知識準(zhǔn)備層面，借助線上資源開發(fā)微分方程求解、矩陣運算等高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)微課資源，幫助學(xué)生突破關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容的數(shù)學(xué)壁壘；在核心教學(xué)內(nèi)容上，采用分層推進的教學(xué)方法，以結(jié)構(gòu)自振特性求解為例，采用簡支梁自由振動作為研究對象，通過“代數(shù)法求解單自由度自振頻率 $$ 矩陣運算求解多自由度振動模態(tài)參數(shù) $$ 模態(tài)分解求解連續(xù)體系特征值問題”，幫助學(xué)生理解從離散系統(tǒng)到連續(xù)系統(tǒng)振動問題求解的全過程概念與方法；在案例教學(xué)方面，以課程教學(xué)內(nèi)容為目的，將重大工程問題簡化為課程教學(xué)的抽象力學(xué)和數(shù)學(xué)模型，通過在課程教學(xué)案例中改變不同的初始參數(shù)，并讓學(xué)生討論初始條件的改變?nèi)绾斡绊懡Y(jié)構(gòu)響應(yīng)變化規(guī)律，以此解釋工程現(xiàn)象出現(xiàn)的原因并提出可能的解決策略。

（四） 建設(shè)立體化教學(xué)資源

課程教學(xué)團隊基于“虛實交融、多維協(xié)同\"的資源開發(fā)理念，按照“兩性一度\"要求[]，不斷完善線下和線上資源，建立了立體化的教學(xué)資源體系，打通理論教學(xué)與實踐應(yīng)用的壁壘。建立了模塊化學(xué)習(xí)資源庫（電子教案、習(xí)題精講、工程案例庫等），覆蓋課程全部重要知識點；配合教材構(gòu)建了圖片、動畫、視頻多模態(tài)的數(shù)字資源庫，并及時進行更新，同時課程集成了3項國省級虛擬仿真項目，合理融人移動車輛過橋、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減振等動力學(xué)工程問題，強化理論向?qū)嵺`遷移的能力。

（五） 改革評價機制

課程團隊建立“過程考核 + 期末考核 + 能力拓展”三維評價體系。過程考核聚焦學(xué)習(xí)全周期表現(xiàn)，重點檢測基礎(chǔ)概念掌握度。期末考核實行隨機抽題、教考分離、集體閱卷和試卷分析等完善制度和流程，在考察基本概念和理論的同時，會留有一定比例的開放性試題，重點測試學(xué)生的知識遷移與綜合應(yīng)用能力。能力拓展機制鼓勵將所學(xué)知識應(yīng)用于學(xué)科競賽或科研實踐，例如在課后訓(xùn)練中結(jié)合研究前沿，將計算結(jié)構(gòu)基頻的瑞利-里茲法用于沖擊損傷結(jié)構(gòu)的動力特性預(yù)測中取得了滿意效果，相關(guān)成果發(fā)表于國際高水平期刊Mechanical system and signal processing 中。

三 改革成效與特色

課堂教學(xué)互動熱烈、學(xué)生積極參加討論。三個學(xué)期學(xué)生綜合考評成績優(yōu)良率從 52.48% 提升至80.77% ，不及格率從 15.56% 降至0（圖2）。啟發(fā)引領(lǐng)作用顯著，學(xué)生創(chuàng)新成績斐然，通過將前沿科技與重大工程科技成果轉(zhuǎn)化為教育資源，學(xué)生創(chuàng)新能力顯著提升。指導(dǎo)學(xué)生參與的項自獲“互聯(lián)網(wǎng) + ”、“挑戰(zhàn)杯”世橋賽和小橋杯等國家、省級競賽獎勵12項，夯實學(xué)生對本課程的知識理解。課程改革成效也逐步輻射到其他課程上，部分學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計常規(guī)靜力驗算的基礎(chǔ)上，有機融人了橋梁動力特性分析、施工階段穩(wěn)定性分析等內(nèi)容，實現(xiàn)了本課程知識的遷移應(yīng)用。教學(xué)團隊建設(shè)了包括國家級規(guī)劃教材、虛擬仿真教學(xué)平臺等教學(xué)資源，常態(tài)化組織本科生參觀科研平臺，依托超級工程，聯(lián)合行業(yè)龍頭單位，建立校企協(xié)同育人基地，建成了“課堂 ⁺ 實景 ^?+ 虛擬\"的全場景教學(xué)新模式。

圖2三個學(xué)期課程優(yōu)良率和不及格率

四 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)振動與穩(wěn)定課程改革系統(tǒng)構(gòu)建了“目標(biāo)重構(gòu)一內(nèi)容革新一方法創(chuàng)新一評價轉(zhuǎn)型\"四位一體的教學(xué)改革路徑，構(gòu)建了“知識構(gòu)建一能力培養(yǎng)一價值引領(lǐng)\"的三維協(xié)同育人目標(biāo)體系，提出并實施了“課程難度平順化\"教學(xué)的策略，構(gòu)建“三線并進\"教學(xué)模式，實施“四步驟閉環(huán)引導(dǎo)式\"教學(xué)方法，建立立體化教學(xué)資源，顯著提升了學(xué)生的知識掌握度與創(chuàng)新能力，有效破解了高階工程理論課程的教學(xué)難題，為新工科背景下高階專業(yè)課程建設(shè)提供了可復(fù)制的經(jīng)驗。

隨著新一代信息技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，橋梁工程科技前沿不斷演變，本科生學(xué)習(xí)需求和發(fā)展路徑急劇轉(zhuǎn)變，這些都對本課程建設(shè)提出了新的要求。面向新形勢下科技進步、行業(yè)發(fā)展及學(xué)生自主化成長需求，首先要采用智能化技術(shù)助力教學(xué)模式創(chuàng)新，充分運用信息技術(shù)助力個性化學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)；同時要緊跟橋梁工程科技前沿，在本課程教學(xué)中積極借鑒引入前沿成果，在保持課程基本特色前提下不斷豐富優(yōu)化課程內(nèi)容;積極面向重大工程實踐。將重大工程項目和科技成果轉(zhuǎn)化為教育資源，構(gòu)建工科本科教育新模式。最終，培養(yǎng)學(xué)生成為理想擔(dān)當(dāng)、學(xué)習(xí)本領(lǐng)、工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力突出的專業(yè)人才。

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